Francis en @TrendingCiencia: Preguntas sobre BICEP2. (I) El fondo cósmico de microondas

Por Francisco R. Villatoro, el 31 marzo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Podcast en Trending Ciencia • Science ✎ 19

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Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia en este enlace. Se presentan la respuesta a tres preguntas que me habéis hecho vosotros (en los comentarios de este blog o en Twitter). Habrá futuras partes en las que discutiré otras preguntas sobre BICEP2, inflación y multiverso.

La primera pregunta es ¿qué tienen que ver los modos B de la polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) con la polarización circular de la luz? Nada. Los fotones se producen por dispersión o scattering de Thomson, la interacción elástica de fotones y electrones libres de baja energía. Esta interacción sólo puede polarizar linealmente los fotones.

La dispersión o scattering de Compton, la interacción inelástica de fotones y electrones de alta energía (ultrarrelativistas) puede producir polarización circular, pero no se aplica a los fotones del CMB porque los electrones tienen una energía de pocos electrón-voltio (similar a la energía de enlace entre electrones y núcleos en los átomos más ligeros).

Más información (con dibujos ilustrativos muy atractivos) en Yuki D. Takahashi, “Cosmic Microwave Background Polarization: The Next Key Toward the Origin of the Universe,” Cosmology, Univ. Berkeley, 2009.

La segunda pregunta es ¿cuánto dura la recombinación (formación de los primeros átomos)? Los fotones que observamos en el CMB son el resultado de su última interacción (last scattering) con los electrones libres del plasma de electrones y núcleos previo a la recombinación. Cuando el plasma tenía una temperatura de unos 20.000 K, el 76% de los núcleos eran de hidrógeno y el 24% de helio (con porcentajes muy pequeños de otros elementos ligeros).

El helio estaba doblemente ionizado y a una temperatura de unos 4400 adquiere un electrón y se transforma en simplemente ionizado; alrededor de 4000 K adquiere un segundo electrón y queda neutro. El hidrógeno ionizado se vuelve neutro al adquirir un electrón cuando la temperatura está entre 3300 y 3000 K. Alrededor del 99% de todos los núcleos se han ligado a electrones formando átomos neutros a una temperatura de 3000 K.

Por consenso, se toman los 3000 K como la temperatura a la que se formó el CMB (que implican z=1100 y una edad de 380.000 años tras el big bang). Sin embargo, la última interacción de los fotones que observamos en el CMB con electrones libres pudo ocurrir cuando el universo tenía una temperatura mayor, entre 3000 y unos 4000 K, es decir, entre z=1100 y z≈1500. En tiempo, entre los 230.000 y 380.000 años, luego la recombinación duró unos 150.000 años.

Sin embargo, un porcentaje muy alto de los fotones sufrió su última interacción entre 3000 y 3300 K, periodo que duró unos 50.000 años. Por supuesto estas cifras dependen del valor de la constante de Hubble que se tome (hay cierta tensión entre el resultado del telescopio Planck y otras medidas cosmológicas). 

Y la tercera pregunta es si r=0,2 y la teoría de Linde predice r=0,1, ¿por qué se habla de premio Nobel para Linde? Los artículos originales de Linde no predicen el valor de r, que se calculó más tarde. Un r grande (r>0,05) apunta a modelos simples (por eso se emociona Linde en el famoso vídeo); uno de los defectos que se creía que tenían estos modelos simples era predecir un r grande. Los modelos más complicados y más modernos, quizás más por costumbre que por otra cosa, apuntaban a un r bajo (r<0,05). Un r=0,2 se puede obtener fácilmente con los primeros modelos de Linde si además se ajustan otros parámetros.

Cuando se dice que un modelo predice r=0,1 se está diciendo que predice r=O(0,1) (del orden de 0,1), luego 0,05, o 0,2 son compatibles con dicha predicción. Además, no hay que olvidar que el valor de r depende de otros parámetros y sin ajuste fino se puede multiplicar o dividir por dos.

Lo dicho, tengo varias preguntas por contestar, pero si tenéis otras preguntas no dudéis en usar los comentarios.



19 Comentarios

  1. ¿Por qué vivimos en un Universo con 4 dimensiones (grandes) de espacio-tiempo? ¿Por qué la masa del protón y del electrón son las que son? ¿Y el valor de la constante de estructura fina? ¿Y la energía de ruptura de la simetría electrodébil? Y la más espectacular de todas las preguntas:
    ¿Por que la densidad de energía del vacío es de aproximadamente 10exp-120? (en unidades de Planck). Los estudios teóricos indican que la vida sería imposible con una densidad de energía del vacío mayor de 10exp-120, 120 órdenes de magnitud parece un ajuste demasiado fino.
    Por otro lado, tenemos una teoría, cuyas predicciones se han ido confirmando por los datos experimentales y cuya última predicción ha sido confirmada (presuntamente) el pasado día 17 de Marzo, sin esa teoría es imposible explicar las características de nuestro Universo.
    Esa teoría hace varias predicciones, todas (prácticamente)comprobadas menos una: durante el crecimiento exponencial del Universo, las fluctuaciones cuánticas dan lugar de forma INEVITABLE a la formación exponencial de regiones del Universo causalmente desconectadas entre sí que se expanden a ritmos distintos y que darían lugar a distintos dominios con distinta energía de falso vacío y por tanto de distintas leyes y constantes fundamentales de la Física. Es decir, la inflación predice la existencia de un Multiverso inflacionario, lo cual supone claramente uno de los cambios conceptuales más grandes de la historia de la ciencia.
    Durante la presentación del descubrimiento de BICEP2 Guth y Linde fueron preguntados por el Multiverso y ambos contestaron que no creen que exista la posibilidad de escapar del Multiverso (sin complicar mucho los modelos) si la inflación existió realmente, cosa que casi nadie duda ya.
    Por supuesto, el problema (aparte de nuestros prejuicios personales) es aceptar una visión tan brutalmente diferente a nuestra visión del Cosmos tradicional sin una demostración DIRECTA de su existencia.
    Esta nueva visión explicaría todas esas preguntas que hice al principio, incluso podría explicar porque existen 3 generaciones de leptones: simplemente porque no influyen para nada en la probabilidad de nuestra existencia. Ahora la pregunta es: ¿Podrá aceptar la ciencia la existencia del Multiverso sin pruebas directas si se confirma fuera de toda duda que es una predicción genérica de todos los modelos de inflación? ¿Pueden plantearse experimentos para detectar las huellas del Multiverso?
    Vivimos tiempos apasionantes sin duda, dentro de unos meses Planck nos dirá muchas más cosas sobre la polarización del CMB, incluso aunque no confirme el valor r=0,2 de Bicep2 la mera confirmación de la existencia de modos B primordiales, confirmaría la inflación y por tanto la nueva y radical visión del Universo en el que vivimos.

    1. Y el otro artículo también muy bueno:
      https://medium.com/starts-with-a-bang/23d5ecd33707
      Although inflation will end in more than 50% of the Universe at any given time, enough of the quantum field that dictates its behavior will undergo quantum “spreading” back towards the exponentially stable expansion state so that inflation lasts an eternity. And this is true for every model of slow-roll inflation we’ve concocted!
      El dibujo de los cuadrados que explica la frase anterior, es decir, la formación de múltiples universos por la inflación cósmica:
      https://d262ilb51hltx0.cloudfront.net/max/887/1*IHKKszXPRJA6CeH227tQAQ.jpeg

  2. Honestamente creo que a este asunto del multiverso se le da más importancia de la que realmente tiene tanto de “escepticos” como de “creyentes”(por decirlo de alguna manera aunque no son las palabras precisas).
    1) Si no hay conexión causal entre los distintos universos que existan o no es irrelevante para nosotros.
    2) Cualquier físico con dos dedos de frente(la mayoría) sabe que porque algo se pueda concluir matemáticamente no significa que sea cierto o falso. Eso no significa que se tengan que descartar o no los multiversos. Si a alguien le parecen razonables pues ya estuvo: de todas formas basta encontrar evidencia experimental en contra del modelo cosmológico que bien puede descartar tal posibilidad(y los físicos con eso de la evidencia experimental son muy quisquillosos hasta donde se). Si a alguien no le parecen razonables normal: total si nos ponemos puntillosos cualquier predicción exige poder ser comprobada experimentalmente y esta parece imposible de hacerse.
    Así que si existen los multiversos tal como esta planteada la cuestión actualmente es lo mismo que tener la mamá pero muerta. No es metafísica: se deducen naturalmente del modelo cosmológico actual(es lo que yo entiendo), pero puesto que parece que no se puede probar que existen pues hablar o no hablar de ellos es irrelevante.

    1. ” Si no hay conexión causal entre los distintos universos que existan o no es irrelevante para nosotros”
      Ese es un error muy extendido y es totalmente falso. Aunque parezca increíble, que exista o no el multiverso tiene grandes consecuencias para la Física. Si éste no existe entonces la Física tiene que encontrar una teoría fundamental que explique el valor de las constantes fundamentales, de la energía del vacío, el problema del enorme ajuste fino y el problema de la jerarquía de masas y energías. Si éste existe, entonces ya no sería necesario explicar todos estos problemas, la explicación es evidente (aunque está claro que prefeririamos una teoría que explicase todo eso a partir de principios fundamentales) incluso es posible que debido al inmenso “landscape” exista todo un rango continuo de parámetros para cada constante fundamental.

      1. A ver: si no existe conexión causal entre los distintos universos y estos existen seguiremos buscando una teoría fundamental para explicar el universo. Es irrelevante que existan o no porque no tenemos modo de medirlos(si hay modo de hacerlo eso significa que hay conexión causal). Eso no es ningún error. Simplemente sería una desgracia, pero nadie se quedará conforme(o al menos yo no quedo conforme por mucho que las matemáticas digan) con un “multiverso inmedible” que por esa circunstancia bien puede ser “inexistente”. Esos problemas que nombras por ahora siguen sin resolverse, pero su solución no pasa por poner un ente matemático(el multiverso ahora mismo no es otra cosa) sin posible comprobación experimental.

  3. Una respuesta sencillita a tu pregunta sería:

    Porque a escala local la gravedad se impone a la expansión universal. Eso es bastante obvio. ¿Recuerdas la manzana de Newton? Pues eso. El universo se expande, pero la gravedad atrae.

    Así es que las galaxias no se expanden, su gravedad local lo impide, el tamaño de las galaxias permanece constante. Lo que se expande es la distribución espacial de las galaxias, se alejan unas de otras, y ESO fue lo que observó Edwin Hubble.

    Corrección: las galaxias NO se alejan unas de otras. Lo que en verdad sucede es que el espacio entre ellas crece. Lo que se expande es el espacio-tiempo.

    La expansión del espacio-tiempo es bastante homogénea a escala universal. Pero a escala local hay “grumos”, pues la gravedad es oportunista.

    La gravedad hace caer manzanas, mantiene unido al sistema solar, mantiene unida a la Vía Láctea… y hace que las galaxias orbiten unas en torno a otras formando grupos, cúmulos, y supercúmulos.

    Extracto de Wikipedia: En las escalas más grandes del universo visible, la materia se agrupa en filamentos y extensas paredes o muros rodeadas de vacíos, a modo de enormes burbujas huecas con los supercúmulos en forma de nodos. La estructura parece asemejarse a la de a una esponja. http://es.wikipedia.org/wiki/Agrupaciones_gal%C3%A1cticas

    Sigo yo. A estas alturas ya te habrás dado cuenta que básicamente lo que se expande son esas enormes burbujas huecas. La esponja se expande, los filamentos se estiran, y los supercúmulos se alejan entre sí. Pero el tamaño de los supercúmulos permanece más o menos constante, son prisioneros de su propia gravedad.

    Un cúmulo de galaxias se comporta como un “gas” cuyas partículas son galaxias. Es un “gas” peculiar, pues no sólo tiende a expandirse, también tiende a colapsar por su propia gravedad. Ese precario equilibrio mantiene el volumen del cúmulo más o menos constante. También mantiene a la galaxias zumbando como un enjambre de avispas, sus órbitas son caóticas. Así no es extraño que de vez en cuando se produzcan choques.

    Lo mismo sucede con las ideas. Tus comentarios, que transmiten cierta “autoridad” pues están impecablemente redactados, pueden chocar con lectores todavía más despistados que tú, causándoles un daño quizá irreparable en su educación.

    Lo digo sin acritud, es que siento vergüenza ajena. Lo que acabo de explicar está en casi cualquier libro básico de astronomía o astrofísica.

    Por tu forma de redactar es evidente que tienes cierta cultura, pero no del tipo que se divulga aquí. Este es un blog de merecida fama mundial. Francis es un científico en serio. Aquí opinan expertos de primerísimo orden y aficionados que no tendrán título pero SABEN de qué están hablando.

    Cuando esas lumbreras hablan, es un placer y un privilegio, guardo silencio e intento aprender. Cuando no sé algo, pregunto. No siempre obtengo respuesta, internet es así. Por eso a veces cuelo alguna bufonada con la intención de generar feedback que enriquezca el hilo. En ocasiones opino sobre algo de lo que no estoy completamente seguro, y aprendo de quienes se dignan a desasnarme. Pero nunca me atrevo a opinar sobre algo que positivamente NO sé. Eso sería des-informar al mejor estilo troll.

    Me pongo como ejemplo no porque yo sea ejemplar, sino porque el orden empieza por casa. Soy la tercera o cuarta persona que de una manera u otra te lo han hecho notar, Francis el primero. No te estamos rechazando (yo al menos no lo pretendo) sino suplicándote que moderes tu actitud.

    Antes de formarte una opinión, y lo que es peor, antes de vocearla a los cuatro vientos, sería prudente que siguieras el consejo de Francis y ordenes tus ideas consultando por lo menos Wikipedia… o las entradas viejas de este blog, que no tiene desperdicio.

    Lamento y desde ya me disculpo sinceramente si mis palabras resultan ofensivas. Pero ciertas cosas DEBEN ser dichas y no se pueden decir de manera más suave.

    Saludos.

  4. A mi me surge una duda. Cuando se habla de expansión del universo, la métrica que se supone gobierna en ese espaciotiempo, como no puede estar originada por materia (pues no hay), ¿qué campo podríamos considerar que lo produce?

  5. Quisiera saber, si le dan el premio nobel al Prof. Andrei Linde y su equipo de colaboradores por el tema del multiverso, y despues de varios años nos damos con que no era asi, devuelven el dinero y el premio??
    Porque sino lo devuelven, aqui entre todos podemos armar algo que mas o menos el Dr. Villatoro lo pueda dibujar matematicamente como que cierra perfecto y sacamos alguna teoria linda y dividimos el premio, jejejejeje.

  6. Y que pasa si el tiempo es un tipo de radiacion residual del big bang, al igual que la del fondo cosmico, y antes de big bang no existia el tiempo?

      1. Este tiempo imaginario de la wikipedia me deja algo perplejo. En el espacio minkowskiano, el seudoeuclideo, el tiempo es una magnitud ya de por sí imaginaria y*i= (t*c)*i
        A qué santo viene eso de describir dos tiempos…¡¡no es necesario!!

      2. Viene a santo de que es un tiempo “perpendicular” al nuestro, en cierto modo más “real” o de “orden superior”, que no está flechado termodinámicamente, se comporta como una auténtica dimensión “espacial”.

        A Stephen Hawking le fue muy útil para su modelo de “universo autocontenido”, sin principio ni final en el tiempo imaginario (con un Big Bang geométricamente tan “suave” como el polo norte de la Tierra), aunque en nuestro tiempo las cosas lucen muy distintas.

        A la vista del espaldarazo que ha recibido el modelo multiverso no sé en qué queda el tiempo imaginario. O bien ha quedado obsoleto, o bien es el tiempo del falso vacío inflacionario del que se desprende nuestro Big Bang y nuestro tiempo. Sería genial que Francis lo aclarara.

        Saludos.

  7. Un pregunta para Francis: En el multiverso inflaccionario entiendo que un universo como el nuestro es una especie de “espina” de un erizo, tal comovi en una representación. Un universo con material es una espina ya “dura” digamos, y nuestro presente es como la punta de dicha espina.

    La pregunta es: Podría un universo cercano en fase de inflacción -aún no “duro”- generar ondas gravitacionales que viajase a más de la velocidad de la luz hasta nuestro universo? Podría ser esto una forma de ver la energía oscura?

    Yo lo imagino como si una explosión en un universo cercano en formación nos atravesas en forma de ondas gravitacionales supre luminicas, inflando un poco nuestro ya endurecido universo, pero es una visión desinformada y algo poética, así que eso, si la respuesta es que es una tontería lo entenderé.

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